疏水表面振动液滴模态演化与流场结构的数值模拟*

叶欣 单彦广

(上海理工大学能源与动力工程学院, 上海 200093)

为了研究疏水表面垂直振动液滴的运动规律, 本文建立了振动液滴的三维模型, 考虑了振动液滴的动态接触角变化过程, 通过流体体积函数和连续表面张力(volume of fluid-continue surface force, VOF-CSF)方法实现了液滴受迫振动的数值模拟, 得到了液滴的四种模态(2, 4, 6和8)动态演化过程、内部流场结构以及动态接触角的变化规律. 随着振动加速度的改变, 液滴可表现出丰富的模态, 而具体模态依赖于振动加速度的频率变化. 以此为基础, 本文对液滴的内部流场结构做了进一步的分析. 在模态2和模态4时, 液滴内部流动从底部向上产生“Y”型流动, 而在模态6和模态8时呈现对称的涡流动. 且共振模态阶数越高, 液滴内部速度平均值越大. 液滴振动时的动态接触角明显偏离静态接触角, 表明液滴振动模型有必要考虑动态接触角. 模拟结果与文献中的实验结果做了对比, 结果符合良好.

1 引 言

固着表面振动液滴在强化传热、调控蒸发自组装过程以及微流控芯片等领域中有着重要的应用[1-7]. 早在19世纪就有学者开始研究液滴的振动, Kelvin[8]和Rayleigh[9]对共振频率下引起无黏自由液滴的动态行为进行了研究. 1932年Lamb[10]提出了自由液滴在不同的共振模态下的振动频率计算公式, 称为Rayleigh共振频率公式. Strani和Sabetta[11]在不计重力的情况下, 对附着于固体表面上的非黏性液滴的轴对称振动进行了研究, 与Lamb的研究不同在于, Strani和Sabetta从理论上分析了钉扎在固体表面上……